DE19940351B4 - Method of making a carbon sheet and an electrode - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofflage, mit den Schritten:
Ausbilden einer Formlage durch Mischen von Kohlenstofffasern und eines Bindemittels;
Trocknen der Formlage;
Verdünnen einer Dispersion mit dispergierten Teilchen aus wasserabstoßendem Material;
Eintauchen der getrockneten Formlage in die verdünnte Dispersion;
Herausziehen der Formlage aus der Dispersion;
Brennen der Formlage, um daran in der Dispersion enthaltene Teilchen aus wasserabstoßendem Material zu fixieren; und
Oxidieren des Bindemittels, um dieses während des Brennens von der Formlage zu entfernen.
A method of making a carbon sheet, comprising the steps of:
Forming a molded sheet by mixing carbon fibers and a binder;
Drying the mold layer;
Diluting a dispersion with dispersed particles of water repellent material;
Immersing the dried mold layer in the diluted dispersion;
Pulling the mold layer out of the dispersion;
Firing the mold sheet to fix water repellent material particles contained therein in the dispersion; and
Oxidize the binder to remove it from the mold layer during firing.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofflage gerichtet, insbesondere einer Kohlenstofflage, die als Ausgangsmaterial für eine Elektrode einer Brennstoffzelle verwendet wird.The invention is based on a method directed to the production of a carbon layer, in particular one Carbon layer used as the starting material for an electrode of a fuel cell is used.

Im allgemeinen umfasst eine Brennstoffzelle viele in Schichtgestaltung angeordnete Zellen, wobei jede Zelle, die einen Membranelektrodenaufbau (nachstehend einfach als "MEA" bezeichnet) darstellen soll, eine Ionenaustauschmembran aufweist, die zwischen zwei porösen, elektrisch leitenden Substraten, d.h. eine Brennstoffelektrode und eine Sauerstoffelektrode, angeordnet ist.In general, a fuel cell comprises many cells arranged in a layer design, each cell having one Represent membrane electrode assembly (hereinafter simply referred to as "MEA") should have an ion exchange membrane, which is between two porous, electrical conductive substrates, i.e. a fuel electrode and an oxygen electrode, is arranged.

An der Brennstoffelektrode findet die folgende Reaktion statt, wenn sie mit einem Brennstoffgas versorgt wird, das darin als Hauptkomponente Wasserstoff enthält.
2H2 → 4H+ + 4e
The following reaction takes place on the fuel electrode when it is supplied with a fuel gas containing hydrogen as its main component.
2H 2 → 4H + + 4e -

Die sich ergebenden Wasserstoffionen (4H+) treten durch die Ionenaustauschmembran, um an die Sauerstoffelektrode zu gelangen, die mit Sauerstoff versorgt wird. Die bei der vorstehenden Reaktion erzeugten Elektronen (4e) gelangen mittels einer Verbindungsleitung an die Sauerstoffelektrode. Als Folge davon findet an der Sauerstoffelektrode die folgende Reaktion statt.
4H+ + 4e + O2 → 2H2O
The resulting hydrogen ions (4H + ) pass through the ion exchange membrane to reach the oxygen electrode, which is supplied with oxygen. The electrons (4e - ) generated in the above reaction reach the oxygen electrode by means of a connecting line. As a result, the following reaction takes place on the oxygen electrode.
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Diese Brennstoffzelle arbeitet demnach als eine Batterie, da sie zur Erzeugung elektrischen Stroms Elektronen erzeugt. Aufgrund der Tatsache, dass die obengenannte Erzeugung elektrischen Stroms auf dem Umkehrvorgang der Elektrolyse von Wasser beruht, bei dem bis auf in Flüssigphase befindliches Wasser keine weiteren Abgasstoffe abgegeben werden, ist ein derartiger elektrischer Stromerzeuger als sauberer oder verschmutzungsfreier Stromerzeuger in den Mittelpunkt des Interesses getreten.This fuel cell works accordingly than a battery because it is used to generate electrons generated. Due to the fact that the above generation electric current on the reverse process of electrolysis of water based, except for in the liquid phase no further exhaust gases are released into the water, is such an electric power generator as cleaner or pollution-free power generator in the center of interest resigned.

Um eine so weit wie möglich gehende Verringerung von Luftverschmutzung zu erzielen, wünscht man sich eine weite Verbreitung elektrisch angetriebener Fahrzeuge, in denen Brennstoffzellen eingebaut sind. Dieser Wunsch ist jedoch noch nicht Wirklichkeit geworden. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Herstellungskosten der Brennstoffzelle an sich zu hoch sind. Angesichts der Tatsache, dass der Hauptanteil der Herstellungskosten der Brennstoffzelle von den Herstellungskosten der jeweiligen Elektroden gebildet wird, ist es sehr wichtig, eine Senkung der Elektrodenkosten zu erreichen.To go as far as possible It is desirable to reduce air pollution there is a wide spread of electrically powered vehicles, in which fuel cells are installed. However, this desire is has not yet become a reality. The main reason for this is that the manufacturing cost of the fuel cell itself is too high. Given that the bulk of manufacturing costs of the fuel cell from the manufacturing costs of the respective electrodes it is very important to reduce electrode costs to reach.

Eine herkömmliche Brennstoff- oder Sauerstoffzelle liegt in Form einer einen Katalysator tragenden Kohlenstofflage vor, die erhalten wird, wenn ein wasserabweisend behandeltes Kohlenstoffpapier einen Katalysator trägt. Von einer derartigen Kohlenstofflage wird verlangt, dass sie eine hohe Gasdurchlässigkeit, eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Wasserabweisung, thermische und chemische Stabilität und geringe Herstellungskosten aufweist.A conventional fuel or oxygen cell is in the form of a carbon layer carrying a catalyst before, which is obtained when a water-repellent treated carbon paper carries a catalyst. Such a carbon sheet is required to have a high gas permeability, excellent electrical conductivity, high water repellency, has thermal and chemical stability and low manufacturing costs.

Die vorstehend angesprochene Erzeugung von Wasser an der Sauerstoffelektrode kann zu einem Problem führen, falls sich im Oxidationsmittelströmungsfeld zu viel Wasser sammelt. Falls der Oxidationsmittelstrom gesättigt ist, kann eine Zweiphasenströmung auftreten, d.h. der Oxidationsmittelstrom kann Wasserdampf und Flüssigkeitstropfen enthalten. Flüssiges Wasser in der Oxidationsmittelströmung kann die poröse Elektrode überfluten und das Oxidationsmittel daran hindern, den Katalysator auf der Sauerstoffelektrode zu erreichen.The generation of Water on the oxygen electrode can cause a problem if itself in the oxidant flow field collects too much water. If the oxidant stream is saturated, can be a two-phase flow occur, i.e. the oxidant stream can contain water vapor and liquid drops. liquid Water in the oxidant flow can flood the porous electrode and the oxidizer prevent the catalyst on the To reach oxygen electrode.

Um ein derartiges "Überflutungs"-Problem zu lösen, ist bekanntermaßen wirksam, das erzeugte Wasser rasch abzuführen, indem die Elektrode feucht gehalten wird. In der JP-A-7-130 374 (1995) und der JP-A-10-270 052 (1998) sind auf der Grundlage dieses Konzepts Lösungen vorgeschlagen.In order to solve such a "flooding" problem, it is known to be effective to rapidly drain the water produced by keeping the electrode moist. In the JP-A-7-130 374 (1995) and the JP-A-10-270 052 (1998) proposed solutions based on this concept.

Bei der erstgenannten Druckschrift ist für eine Brennstoffzelle einer festen hochmolekularen Elektrolysebauart eine Elektrode in Form einer einen Katalysator tragenden Kohlenstofflage vorgesehen. Diese Elektrode wird durch die Schritte Herstellen eines kommerziell verfügbaren Kohlenstoffpapiers, das eine Porosität von 80% aufweist, Eintauchen des Kohlenstoffpapiers in eine Flüssigkeit, in der der Polytetrafluorethylenfamilie zugehörige Teilchen dispergiert sind, Entfernen des Kohlenstoffpapiers aus der Flüssigkeit und Brennen des Kohlenstoffpapiers erhalten.In the first mentioned publication is for one Solid high molecular electrolysis type fuel cell Electrode in the form of a carbon layer carrying a catalyst intended. This electrode is made through the steps of manufacturing a commercially available Immerse carbon paper that has a porosity of 80% the carbon paper into a liquid in the polytetrafluoroethylene family associated Particles are dispersed, removing the carbon paper the liquid and burning the carbon paper.

Das obengenannte kommerziell verfügbare Kohlenstoffpapier wird jedoch derart hergestellt, dass eine Kohlenstofffaser, nachdem sie mit einem wärmehärtbaren Material kombiniert wurde, unter der Bedingung einer inaktiven Umgebung bei einer Temperatur von nicht weniger als 1000°C einem Heißpressvorgang unterzogen wird, der hohe Herstellungskosten zur Folge hat. Eine Brennstoffzelle, bei der eine derartige Elektrode eingesetzt wird, wird somit sehr teuer, was bedeutet, dass sich die ergebende Brennstoffzelle nur schwer in eine praktische Nutzung überführen lässt.The above commercially available carbon paper However, is manufactured in such a way that a carbon fiber after them with a thermosetting Material was combined under the condition of an inactive environment subjected to hot pressing at a temperature of not less than 1000 ° C, which results in high manufacturing costs. A fuel cell, in which such an electrode is used, is therefore very expensive, which means that the resulting fuel cell only difficult to convert into practical use.

Bei der letztgenannten Druckschrift wird eine Außenfläche eines Elektrodensubstrats mit einem wasserabweisenden Material beschichtet, indem das Substrat einem Gas aus einem durch Plasmabehandlung aktivierten Fluorkohlenwasserstoff ausgesetzt wird. Für den Einsatz eines derartigen Verfahrens ist jedoch eine speziell gestaltete großtechnische Anlage oder Ausrüstung erforderlich, was bedeutet, dass eine derartige Elektrode nicht zur Massenfertigung geeignet ist und vom Gesichtspunkt der Herstellungskosten nicht akzeptabel sein kann.In the latter publication becomes an outer surface of a Electrode substrate coated with a water-repellent material, by activating the substrate from a gas from a plasma treatment Fluorocarbon is exposed. For the use of such However, the process is a specially designed industrial one Plant or equipment required, which means that such an electrode is not is suitable for mass production and from the point of view of manufacturing costs may not be acceptable.

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist daher, zu geringeren Kosten als üblich eine Kohlenstofflage zur Verfügung zu stellen, die bezüglich der wasserabweisenden Wirkung eine hohe Beständigkeit besitzt.The main object of the invention is therefore, at a lower cost than usual a carbon layer is available to ask who regarding the water-repellent effect has a high resistance.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer eine derartige Kohlenstofflage verwendenden Elektrode bereitzustellen.Another object of the invention is a method of making such a carbon sheet to use the electrode.

Zur Lösung der obengenannten Aufgaben sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofflage gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode gemäß Patentanspruch 7 vor.To solve the above tasks looks the invention a method for producing a carbon layer according to claim 1 and a method for producing an electrode according to claim 7 before.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Falls das Dispersionsmittel dabei auf Wasser basiert, ist anstelle der in Patentanspruch 5 genannten Pulpe als Material zur Absorption des Dispersionsmittels auch ein Wasserabsorptionsharz wie etwa Polyacrylsäureharz, Polyvinylalkoholharz oder Polyacrylamidharz einsetzbar, und falls das Dispersionsmittel ölig ist, ist ein Ölabsorptionsharz wie etwa Alkylstyrol oder Alkylmethacrylat einsetzbar.Developments of the invention are the subclaims refer to. If the dispersant is based on water, is instead of the pulp mentioned in claim 5 as a material also a water absorption resin to absorb the dispersant such as polyacrylic acid resin, Polyvinyl alcohol resin or polyacrylamide resin can be used, and if the dispersant is oily is an oil absorption resin such as alkyl styrene or alkyl methacrylate.

Die Erfindung wird nun eingehender unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle mit Elektroden, die jeweils Kohlenstofflagen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einsetzen;
  • 2 ein grafische Darstellung der Versuchsergebnisse bei dem ersten Ausführungsbeispiel und einem ersten Vergleichsbeispiel;
  • 3 eine Tabelle der Tragemenge an PTFE und des elektrischen Widerstands jeder Kohlenstofflage;
  • 4 eine Tabelle der Versuchsergebnisse hinsichtlich der Beständigkeit der wasserabweisenden Wirkung;
  • 5 eine Tabelle der Versuchsergebnisse der Stabilität jeder Brennstoffzelle;
  • 6 eine Querschnittansicht einer Brennstoffzelle mit Elektroden, die jeweils Kohlenstofflagen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung einsetzen; und
  • 7 ein eine grafische Darstellung von Versuchsergebnissen bei einem dritten Ausführungsbeispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel.
The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a cross-sectional view of a fuel cell with electrodes, each using carbon layers according to a first embodiment of the invention;
  • 2 a graphical representation of the test results in the first embodiment and a first comparative example;
  • 3 a table of the carrying amount of PTFE and the electrical resistance of each carbon layer;
  • 4 a table of the test results with regard to the resistance of the water-repellent effect;
  • 5 a table of the experimental results of the stability of each fuel cell;
  • 6 a cross-sectional view of a fuel cell with electrodes, each using carbon layers according to a second embodiment of the invention; and
  • 7 a graphical representation of test results in a third embodiment and the first embodiment.

[Erstes Ausführungsbeispiel]First Embodiment

– Sauerstoffelektrodenausbildung –- Oxygen electrode training -

Es wird eine Schlämme zur Papierherstellung erzeugt, indem Kohlenstofffaserfilamente, von denen jedes typischerweise einen Durchmesser von 13 μm und eine Länge von 3 mm aufweist, und eine Pulpe aus Holzcellulosefasern in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 in Wasser dispergiert werden. Die Schlämme wird mittels eines Verfahrens, das der Herstellung von Papier ähnlich ist, zu einer Formlage ausgebildet. Dann wird die sich ergebende Formlage geschnitten, um eine Elektrodensubstratlage mit einer Abmessung von 160 mm × 160 mm herzustellen.A slurry is made for papermaking, by carbon fiber filaments, each typically a diameter of 13 μm and a length of 3 mm, and a pulp made of wood cellulose fibers in a weight ratio of Be dispersed 1: 1 in water. The slurry is made using a process that is similar to making paper is formed into a shape layer. Then the resulting one Shape sheet cut to an electrode substrate sheet with one dimension of 160 mm × 160 mm to manufacture.

Eine derartige Elektrodensubstratlage wird für 2 Minuten in eine verdünnte Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen eingetaucht, die gebildet wird, indem eine Flüssigkeit mit dispergierten PTFE-Teilchen derart mit einer Wassermenge verdünnt wird, dass der Anteil der PTFE-Teilchen 20 Gewichtsprozent beträgt. Aufgrund der Porosität der Elektrodensubstratlage wird demnach die verdünnte Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen absorbiert und imprägniert die Elektrodensubstratlage. Die Flüssigkeit mit dispergierten PTFE-Teilchen wird von Daikin Kogyo Co. Ltd. unter dem Klassenamen D-1 angeboten und enthält 60 Gew.-% PTFE-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,20–0,40 μm und einen nichtionischen oberflächenaktiven Stoff, der die Teilchen stabilisiert.Such an electrode substrate sheet is immersed for 2 minutes in a dilute dispersion with dispersed PTFE particles, which is formed by diluting a liquid with dispersed PTFE particles with an amount of water such that the proportion of the PTFE particles 20 Weight percent. Because of the porosity of the electrode substrate layer, the diluted dispersion is thus absorbed with dispersed PTFE particles and impregnates the electrode substrate layer. The liquid with dispersed PTFE particles is manufactured by Daikin Kogyo Co. Ltd. Offered under the class name D-1 and contains 60 wt .-% PTFE particles with an average particle size of 0.20-0.40 microns and a nonionic surfactant that stabilizes the particles.

Eine Entwässerung der Elektrodensubstratlage wird erzielt, indem diese in eine 80°C warme Umgebung gebracht wird. Danach wird die sich ergebende Elektrodensubstratlage für 60 Minuten in 390°C heißer Umgebungsluft gehalten, wodurch die PTFE-Teilchen auf den Oberflächen der Kohlenstofffasern fixiert werden und gleichzeitig die in der Elektrodensubstratlage enthaltene Pulpe durch Oxidation und Gasifizierung beseitigt wird. Auf diese Weise wird eine Kohlenstofflage erhalten, die ein wasserabstoßendes Material trägt. Das obengenannte PTFE wird verwendet, um auf der Elektrodensubstratlage für eine wasserabweisende Wirkung zu sorgen, und dient anstelle der daraus entfernten oder herausgetriebenen Pulpe als Bindemittel, um die Kohlenstofffasern aneinander zu binden. Die Form der Kohlenstofflage kann somit unverändert bleiben.Drainage of the electrode substrate layer is achieved by placing it in an 80 ° C warm environment. After that, the resulting electrode substrate layer is left for 60 minutes at 390 ° C hot Ambient air is kept, causing the PTFE particles on the surfaces of the Carbon fibers are fixed and at the same time that in the electrode substrate layer contained pulp is removed by oxidation and gasification. In this way a carbon layer is obtained which is a water repellent material wearing. The Above mentioned PTFE is used on the electrode substrate layer for a water repellent Effect and serves instead of the removed or expelled pulp as a binder to the carbon fibers to bind to each other. The shape of the carbon layer can therefore remain unchanged.

Die Durchlässigkeit der Kohlenstofflage wurde nach JIS (Japanese Industrial Standard) geprüft, indem bei einem Zylinder mit einer Bohrung von 10 die verstrichene Zeit für den vollständigen Austritt von 300 cm3 Luft gemessen wurde. Das Ergebnis war 0,8 Sekunden, was auf die hervorragende Durchlässigkeit der Elektrodensubstratlage hinwies. Die Abschnitte nach dem Entfernen der Pulpe liegen in Form von Löchern vor, die als Gasexpansionskanäle dienen, wodurch die Durchlässigkeit der Elektrodensubstratlage erhöht wird. Kurz gesagt dient die Pulpe zusätzlich zu ihrer Funktion als Bindemittel als Locherzeugungsmittel.The permeability of the carbon layer was tested according to JIS (Japanese Industrial Standard) by measuring the elapsed time for a complete escape of 300 cm 3 of air in a cylinder with a bore of 10. The result was 0.8 seconds, which indicated the excellent permeability of the electrode substrate layer. The sections after pulp removal are in the form of holes that serve as gas expansion channels, thereby increasing the permeability of the electrode substrate layer. In short, the pulp serves as a hole-making agent in addition to its function as a binder.

Der Versuch, den Widerstand der Kohlenstofflage zu messen, erfolgte auf derartige Weise, dass die Kohlenstofflage in Sandwichanordnung zwischen Kupferelektroden gesetzt wurde, die jeweils einen Durchmesser von 35,7 mm und eine Fläche von 10 cm2 aufwiesen, und diese drei Elemente unter einem Druck von 196 N/cm2 (20 kgf/cm2) mit Schrauben festgezogen wurden. Das Ergebnis betrug 3,2 mΩ.The attempt to measure the resistance of the carbon layer was carried out in such a way that the carbon layer was sandwiched between copper electrodes, each having a diameter of 35.7 mm and an area of 10 cm 2 , and these three elements under egg pressure of 196 N / cm 2 (20 kgf / cm 2 ) were tightened with screws. The result was 3.2 mΩ.

Es wird eine Paste hergestellt, indem Rußteilchen und ein Ethylenglykol gemischt werden. Die Paste wird auf der Kohlenstofflage durch Siebdruck aufgebracht, um darin imprägniert zu werden. Während die Kohlenstofflage dann für 2 Stunden bei 80°C in ein Vakuum gesetzt wird, wird das Ethylenglykol durch Verdampfen entfernt, sodass die Rußteilchen auf der Kohlenstofflage zurückbleiben. Die sich ergebene Kohlenstofflage wird wiederum für 2 Minuten in die vorstehend erwähnte verdünnte Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen eingetaucht, wonach eine Entwässerung der Kohlenstofflage erfolgt, indem diese in eine 80°C warme Umgebung gesetzt wird. Danach wird die sich ergebene Kohlenstofflage für 60 Minuten in 390°C heißer Umgebungsluft gehalten, wodurch die PTFE-Teilchen an den Oberflächen der Kohlenstofffasern und des Rußes fixiert werden.A paste is made by soot particles and an ethylene glycol are mixed. The paste is on the carbon layer applied by screen printing to be impregnated therein. While the Carbon layer then for 2 hours at 80 ° C in a vacuum is set, the ethylene glycol is evaporated removed so that the soot particles on remain in the carbon layer. The resulting carbon layer is again for 2 minutes in the above diluted Dispersion with dispersed PTFE particles immersed, after which a drainage The carbon layer is done by placing it in an 80 ° C warm environment is set. After that, the resulting carbon layer is left for 60 minutes at 390 ° C hot Ambient air is kept, causing the PTFE particles on the surfaces of the Carbon fibers and carbon black be fixed.

Als nächstes wird eine Katalysatorpaste hergestellt, indem Platin tragender Kohlenstoff, der 40 Gew.-% Platin enthält, Wasser, eine unter dem Namen Ashiplex-Lösung SS-1080 von Asai Kasei Co., Ltd. angebotene Ionenaustauschlösung und ein Isopropylalkohol mit einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1,5 : 1,5 : 1,5 Kohlenstoff gut vermischt werden, und gemäß einem Schabermesserverfahren mit einer Dicke von etwa 300 μm an einer Seite der Kohlenstofflage auf die gesamte Oberfläche aufgebracht. Die sich ergebende Kohlenstofflage wird getrocknet, um den Isopropylalkohol zu entfernen, wodurch eine Sauerstoffelektrode hergestellt wird. Die Menge des auf der Sauerstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,4 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Sauerstoffelektrode.Next, a catalyst paste is prepared by using platinum-bearing carbon containing 40% by weight of platinum water, a product known as Ashiplex solution SS-1080 from Asai Kasei Co., Ltd. Offered ion exchange solution and an isopropyl alcohol with a weight ratio of 1: 1.5: 1.5: 1.5 carbon are mixed well, and applied according to a doctor knife method with a thickness of about 300 microns on one side of the carbon layer on the entire surface. The resulting carbon sheet is dried to remove the isopropyl alcohol, thereby producing an oxygen electrode. The amount of platinum carried on the oxygen electrode is about 0.4 mg per unit area (cm 2 ) of the oxygen electrode.

– Brennstoffelektrodenausbildung –- Fuel electrode training -

Eine Brennstoffelektrode wird mit Ausnahme dessen, dass der PTFE-Eintauchvorgang zweimal erfolgt und die Kohlenstofflage der Brennstoffelektrode anstelle des Platin tragenden Kohlenstoffs einen Platin-Ruthenium tragenden Kohlenstoff verwendet, mittels eines ähnlichen Verfahrens wie zur Ausbildung der Sauerstoffelektrode hergestellt. Eine der Seiten der Kohlenstofflage der Brennstoffelektrode ist mit einem Platin-Ruthenium tragenden Kohlenstoff als Katalysator beschichtet. Die Menge des auf der Brennstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,3 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Brennstoffelektrode.A fuel electrode is manufactured by a method similar to that for forming the oxygen electrode, except that the PTFE immersion operation is performed twice and the carbon layer of the fuel electrode uses platinum-ruthenium-bearing carbon instead of the platinum-bearing carbon. One side of the carbon layer of the fuel electrode is coated with a platinum-ruthenium-bearing carbon as a catalyst. The amount of platinum carried on the fuel electrode is about 0.3 mg per unit area (cm 2 ) of the fuel electrode.

Der Grund, warum sich der Herstellungsvorgang der Sauerstoffelektrode von dem der Brennstoffelektrode unterscheidet, besteht in dem Wasserverhalten der Brennstoffzelle. Im einzelnen muss bei einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle beiden Elektroden Wasser zugeführt werden, Es wird daher von jeder Elektrode verlangt, dass sie eine wasserabweisende Wirkung hat, um zu vermeiden, dass die Katalysatoren der jeweiligen Elektroden unter Wasser stehen. Im stabilen Zustand der Brennstoffzelle muss die Sauerstoffelektrode jedoch infolge der Wassererzeugung durch den chemischen Reaktionszwang immer noch eine wasserabweisende Wirkung zeigen, während der Ruß nahe dem Katalysator der Brennstoffelektrode angesichts der Tatsache, dass sich die an der Brennstoffelektrode erzeugten Wasserstoffionen zusammen mit Wasser bewegen müssen, hydrophil sein muss.The reason why the manufacturing process the oxygen electrode differs from that of the fuel electrode, consists in the water behavior of the fuel cell. In detail must have both electrodes when starting up the fuel cell Water supplied Each electrode is therefore required to be a has water repellent effect to avoid the catalysts of the respective electrodes are under water. In stable condition however, the oxygen electrode must follow the fuel cell water production due to the chemical reaction show a water-repellent effect, while the soot near the Fuel electrode catalyst given that the hydrogen ions generated at the fuel electrode have to move with water must be hydrophilic.

[Vergleichsbeispiel 1]Comparative Example 1

– Sauerstoffelektrodenausbildung –- Oxygen electrode training -

Es wird eine Elektrodensubstratlage hergestellt, indem ein Kohlenstoffpapier mit einer Dicke von 0,23 mm (von Toray unter der Bezeichnung TGP-H-060 angeboten) in eine 160 mm × 160 mm große Konfiguration geschnitten wird und durch einen PTFE-Imprägnierungsvorgang eine Kohlenstoff lage erhalten wird, die der in Beispiel 1 ähnlich ist. Für die Durchlässigkeit und den elektrischen Widerstand dieser Kohlenstofflage wurden 3,7 s und 3,4 mΩ ermittelt, was schlechtere Werte als in Beispiel 1 sind. Die Prüfverfahren und -bedingungen sind für dieses Kohlenstoffpapier und das in Beispiel 1 identisch.An electrode substrate layer is made by cutting a 0.23 mm thick carbon paper (offered by Toray under the designation TGP-H-060) into a 160 mm × 160 mm configuration and a carbon layer by a PTFE impregnation process which is obtained in the example 1 is similar. The permeability and electrical resistance of this carbon layer were found to be 3.7 s and 3.4 mΩ, which is worse than in the example 1 are. The test procedures and conditions are for this carbon paper and that in example 1 identical.

Ähnlich wie bei dem Verfahren in Beispiel 1 wird eine Sauerstoffelektrode hergestellt, indem Platin tragender Kohlenstoff mit einer Dicke von etwa 300 μm auf der gesamten Oberfläche dieser Kohlenstofflage aufgebracht wird. Die Menge des auf der Sauerstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,4 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Sauerstoffelektrode.Similar to the procedure in Example 1 An oxygen electrode is produced by applying platinum-bearing carbon with a thickness of approximately 300 μm on the entire surface of this carbon layer. The amount of platinum carried on the oxygen electrode is about 0.4 mg per unit area (cm 2 ) of the oxygen electrode.

– Brennstoffelektrodenausbildung –- Fuel electrode training -

Eine Brennstoffelektrode wird mit Ausnahme dessen, dass anstelle des Platin tragenden Kohlenstoffs ein Platin-Ruthenium tragender Kohlenstoff verwendet wird, ähnlich wie bei dem Sauerstoffelektroden-Herstellungsverfahren hergestellt. Die Menge des auf der Brennstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,3 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Brennstoffelektrode.A fuel electrode is manufactured similarly to the oxygen electrode manufacturing process except that a platinum-ruthenium-bearing carbon is used instead of the platinum-bearing carbon. The amount of platinum carried on the fuel electrode is about 0.3 mg per unit area (cm 2 ) of the fuel electrode.

[Beurteilungsverfahren 1][Evaluation method 1]

In 1 ist ein Querschnittzustand des Aufbaus einer Einzelzelle 20 dargestellt, die zur Elektrodenprüfung verwendet wird. Die Zelle 20 umfasst einen Membranelektrodenaufbau (nachstehend einfach als "MEA" bezeichnet) 10, der eine zwischen einer Sauerstoffelektrode 1 und einer Brennstoffelektrode 2 angeordnete Ionenaustauschmembran 3 aufweist. Der MEA wird wie folgt aufgebaut: Die Membran 3 wird derart in Sandwichanordnung zwischen die Elektroden 1 und 2 gesetzt, dass eine Katalysatorschicht 1a der Sauerstoffelektrode 1 und eine Katalysatorschicht 2a der Brennstoffelektrode 2 gegenüberliegenden Seiten zugewandt sind; der sich ergebende Aufbau wird einem Heißpressvorgang unterzogen und für 3 Minuten bei einer Temperatur von 160°C unter einem Haltedruck von 80 bar (80 kg/cm2) gehalten, wodurch der MEA 10 hergestellt wird. Ein derartiger MEA 10 wird zwischen einem Separator 4a mit einer Lufteinlassöffnung 5a, einem Luftströmungskanal 7a, einer Luftauslassöffnung 6a und einem weiteren Separator 4b mit einer Wasserstoffeinlassöffnung 5b, einem Wasserstoffströmungskanal 5b und einem Wasserstoffauslass 6b gehalten, wodurch die Zelle 20 hergestellt wird.In 1 is a cross-sectional state of the structure of a single cell 20 shown, which is used for electrode testing. The cell 20 includes a membrane electrode assembly (hereinafter simply referred to as "MEA") 10 one between an oxygen electrode 1 and a fuel electrode 2 arranged ion exchange membrane 3 having. The MEA is constructed as follows: The membrane 3 is sandwiched between the electrodes 1 and 2 set that a catalyst layer 1a the oxygen electrode 1 and a catalyst layer 2a the fuel electrode 2 facing opposite sides; the resulting structure is subjected to a hot pressing process and held for 3 minutes at a temperature of 160 ° C under a holding pressure of 80 bar (80 kg / cm 2 ), whereby the MEA 10 will be produced. Such an MEA 10 is between a separator 4a with an air inlet opening 5a , an air flow channel 7a , an air outlet 6a and another separator 4b with a hydrogen inlet opening 5b , a hydrogen flow channel 5b and a hydrogen outlet 6b kept causing the cell 20 will be produced.

Mittels des Lufteinlasses 5a und des Luftströmungskanals 7a wird auf die Sauerstoffelektrode 1 unter einem Druck von 2,53 bar (2,5 atm) Luft aufgebracht, während mittels des Wasserstoffeinlasses 5b und des Wasserstoffströmungskanals 7b auf die Wasserstoffelektrode 2 unter einem Druck von 2,53 bar (2,5 atm) Wasserstoff aufgebracht wird. Zu der Luft und dem Wasserstoff wird jeweils mittels eines Gasspülverfahrens Wasserdampf hinzugegeben, um diese zu befeuchten. Zwischen den Separatoren 4a und 4b ist ein variabler Widerstand 8 vorgesehen. Zur Beurteilung des MEA gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem ersten Vergleichsbeispiel werden jeweils mehrmals die erzeugte Spannung oder Zellenspannung und die elektrische Dichte gemessen, wobei der Wert des Widerstands 8 geändert wird.By means of the air inlet 5a and the air flow channel 7a is on the oxygen electrode 1 air is applied under a pressure of 2.53 bar (2.5 atm) while using the hydrogen inlet 5b and the hydrogen flow channel 7b on the hydrogen electrode 2 hydrogen is applied under a pressure of 2.53 bar (2.5 atm). Steam is added to the air and hydrogen by means of a gas purging process in order to humidify them. Between the separators 4a and 4b is a variable resistor 8th intended. To evaluate the MEA according to the first exemplary embodiment and the first comparative example, the voltage or cell voltage generated and the electrical density are measured several times, the value of the resistance 8th will be changed.

[Vergleichsergebnis 1][Comparison result 1]

Die Beurteilungsergebnisse für das erste Ausführungsbeispiel und das erste Vergleichsbeispiel sind in der grafischen Darstellung in 2 gezeigt. In dieser Darstellung bezeichnen die horizontale Koordinate, die vertikale Koordinate, die Bezugsziffer 100 und die Bezugsziffer 200 Stromdichte, Zellenspannung, die Beurteilungsergebnisse des ersten Ausführungsbeispiels beziehungsweise die Beurteilungsergebnisse des ersten Vergleichsbeispiels. Wie aus dieser Darstellung hervorgeht, weisen das erste Ausführungsbeispiel und das erste Vergleichsbeispiel ähnliche Kennlinien auf.The evaluation results for the first exemplary embodiment and the first comparative example are shown in the graph in FIG 2 shown. In this representation, the horizontal coordinate, the vertical coordinate, and the reference number 100 and the reference number 200 Current density, cell voltage, the evaluation results of the first exemplary embodiment or the evaluation results of the first comparative example. As can be seen from this illustration, the first exemplary embodiment and the first comparative example have similar characteristic curves.

Bei dem obengenannten ersten Ausführungsbeispiel kann zusammen mit der Pulpe ein der anorganischen Familie zugehöriges Dispergiermittel oder ein anderes anorganisches Bindemittel zu der Schlämme hinzugegeben werden. In Hinblick auf die Lagenausbildung ist ein Faservliesausbildungsverfahren und ein Schabermesserverfahren einsetzbar, bei denen eine Kohlenstofffasern und Bindemittel enthaltende Schlämme verwendet wird.In the above first embodiment can together with the pulp a dispersant belonging to the inorganic family or another inorganic binder is added to the slurry become. In terms of ply formation is a nonwoven formation process and a doctor knife method can be used, in which a carbon fiber and sludge containing binders is used.

[Zweites Ausführungsbeispiel]Second Embodiment

– Sauerstoffelektrodenausbildung –- Oxygen electrode training -

Es wird eine Schlämme zur Papierherstellung erzeugt, indem Kohlenstofffaserfilamente, von denen jedes typischerweise einen Durchmesser von 14,5 μm und eine Länge von 6 mm aufweist, und eine Pulpe als Material zur Absorption eines Dipersants mit einem Gewichtsverhältnis von 4 : 6 in Wasser dispergiert werden. Die Schlämme wird mittels eines Verfahrens, das dem zur Herstellung von Papier ähnlich ist, zu einer Formlage mit einer Dicke von etwa 0,3 mm ausgebildet. Dann wird die sich ergebende Formlage geschnitten, um eine Elektrodensubstratlage mit einer Abmessung von 160 mm × 160 mm herzustellen.A slurry is made for papermaking, by carbon fiber filaments, each typically a diameter of 14.5 μm and a length of 6 mm, and a pulp as a material for absorbing a Dipersants with a weight ratio of 4: 6 dispersed in water become. The mud using a process similar to that used to make paper, formed to a shape layer with a thickness of about 0.3 mm. Then the resulting mold layer is cut to an electrode substrate layer with a dimension of 160 mm × 160 mm to manufacture.

Eine derartige Elektrodensubstratlage wird für 2 Minuten in eine verdünnte Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen eingetaucht, die gebildet wird, indem eine Flüssigkeit mit dispergierten PTFE-Teilchen derart mit einer Wassermenge verdünnt wird, dass der Anteil der PTFE-Teilchen 20 Gewichtsprozent beträgt. Aufgrund der Porosität der Elektrodensubstratlage wird demnach die verdünnte Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen absorbiert und imprägniert die Elektrodensubstratlage. Die Flüssigkeit mit dispergierten PTFE-Teilchen wird von Daikin Kogyo Co. Ltd. unter dem Klassenamen D-1 angeboten und enthält wie oben angesprochen 60 Gew.-% PTFE-Teilchen.Such an electrode substrate sheet is immersed for 2 minutes in a dilute dispersion with dispersed PTFE particles, which is formed by diluting a liquid with dispersed PTFE particles with an amount of water such that the proportion of the PTFE particles 20 Weight percent. Because of the porosity of the electrode substrate layer, the diluted dispersion is thus absorbed with dispersed PTFE particles and impregnates the electrode substrate layer. The liquid with dispersed PTFE particles is manufactured by Daikin Kogyo Co. Ltd. offered under the class name D-1 and, as mentioned above, contains 60% by weight of PTFE particles.

Eine Entwässerung der Elektrodensubstratlage wird erzielt, indem diese in eine 80°C warme Umgebung gebracht. wird. Danach wird die sich ergebende Elektrodensubstratlage für 60 Minuten in 390°C heißer Umgebungsluft gehalten, wodurch die PTFE-Teilchen auf den Oberflächen der Kohlenstofffasern fixiert werden und gleichzeitig die in der Elektrodensubstratlage enthaltene Pulpe durch Oxidation und Gasifizierung beseitigt wird. Auf diese Weise wird eine Kohlenstofflage erhalten, die ein wasserabstoßendes Material trägt.Drainage of the electrode substrate layer is achieved by placing it in an 80 ° C warm environment. becomes. After that, the resulting electrode substrate layer is left for 60 minutes at 390 ° C hot Ambient air is kept, causing the PTFE particles on the surfaces of the Carbon fibers are fixed and at the same time that in the electrode substrate layer contained pulp is removed by oxidation and gasification. In this way a carbon layer is obtained which is a water repellent material wearing.

Das obengenannte PTFE wird verwendet, um auf der Elektrodensubstratlage für eine wasserabweisende Wirkung zu sorgen, und dient anstelle der daraus entfernten oder herausgetriebenen Pulpe als Bindemittel, um die Kohlenstofffasern aneinander zu binden. Die Form der Kohlenstofflage kann somit unverändert bleiben.The above PTFE is used to on the electrode substrate layer for to provide a water-repellent effect, and serves instead of pulp removed or expelled therefrom as a binder, to bind the carbon fibers together. The shape of the carbon layer can thus remain unchanged stay.

Ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Kohlenstofflage schließlich zu einer Platin tragenden Sauerstoffelektrode ausgebildet. Die Menge des auf der Sauerstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,4 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Sauerstoffelektrode.Similar to the first embodiment, the carbon layer is finally formed into a platinum-bearing oxygen electrode. The amount of platinum carried on the oxygen electrode is about 0.4 mg per unit area (cm 2 ) of the oxygen electrode.

– Brennstoffelektrodenausbildung –- Fuel electrode training -

Es wird eine Brennstoffelektrode hergestellt, die mit der des ersten Ausführungsbeispiels mit Ausnahme dessen identisch ist, dass die Flüssigkeit mit den dispergierten PTFE-Teilchen bei diesem Verfahren 20 Gew.-% PTFE-Teilchen enthält. Die Menge des auf der Brennstoffelektrode getragenen Platins beträgt etwa 0,3 mg pro Einheitsfläche (cm2) der Brennstoffelektrode.A fuel electrode is produced which is the same as that of the first exemplary embodiment Assumption is identical that the liquid with the dispersed PTFE particles in this process contains 20 wt .-% PTFE particles. The amount of platinum carried on the fuel electrode is about 0.3 mg per unit area (cm 2 ) of the fuel electrode.

[Vergleichsbeispiel 2]Comparative Example 2

Es werden eine Sauerstoffelektrode und eine Brennstoffelektrode derart hergestellt, dass sie mit Ausnahme dessen, dass jedes Kohlenstoffpapier eine Dicke von 0,23 mm aufweist (von Toray unter der Bezeichnung TGP-H-060 angeboten), bezüglich Aufbau und Herstellungsverfahren mit dem zweiten Ausführungsbeispiel identisch sind.It will be an oxygen electrode and a fuel electrode is manufactured so that it can, with exception that each carbon paper has a thickness of 0.23 mm (offered by Toray under the designation TGP-H-060), regarding construction and manufacturing method are identical to the second embodiment.

[Vergleichsbeispiel 3]Comparative Example 3

Es werden eine Sauerstoffelektrode und eine Brennstoffelektrode derart hergestellt, dass sie, dass sie mit Ausnahme dessen, dass jedes Kohlenstoffpapier eine Dicke von 0,23 mm aufweist (von Nihon Carbon unter der Bezeichnung P-7 angeboten), bezüglich Aufbau und Herstellungsverfahren mit dem zweiten Ausführungsbeispiel identisch sind.It will be an oxygen electrode and a fuel electrode manufactured so that they except that each carbon paper has a thickness of 0.23 mm (offered by Nihon Carbon under the designation P-7), in terms of Structure and manufacturing method with the second embodiment are identical.

[Beurteilungsverfahren 2][Evaluation method 2]

Es erfolgt eine Beurteilung auf Grundlage einer Messung der Tragemenge an wasserabstoßendem Material auf der Kohlenstofflage, einer Messung des elektrischen Widerstands der Kohlenstofflage sowie einer Messung der Beständigkeit der wasserabweisenden Wirkung der Kohlenstofflage und einer Messung der Stabilität des MEA. An assessment is made on the basis a measurement of the carrying amount of water-repellent material on the carbon layer, a measurement of the electrical resistance of the carbon layer and a measure of durability the water-repellent effect of the carbon layer and a measurement of stability of the MEA.

Die Messung der Tragemenge an wasserabweisendem Material auf der Kohlenstofflage erfolgt durch Bestimmen des Gewichtsanteils an PTFE als wasserabweisendes Material bezüglich der Kohlenstofffaser in der Kohlenstofflage. Die Messung des elektrischen Widerstands der Kohlenstofflage erfolgt derart, dass die Kohlenstofflage in ein 35,7 × 35,7 mm großes Quadrat geschnitten wird, die sich ergebende Kohlenstofflage unter einem Druck von 392 N/cm2 (40 kgf/cm2) zwischen einem Paar identischer Kupferplatten gehalten wird und entlang des sich ergebenden Aufbaus ein elektrischer Strom aufgebracht wird. Die Messung der Beständigkeit der wasserabweisenden Wirkung der Kohlenstofflage erfolgt auf derartige Weise, dass die Kohlenstofflage bei einer Temperatur von 80°C auf stabile Weise auf Wasser treiben gelassen wird, wobei die Zeitdauer bestimmt wird, bis die Kohlenstofflage beginnt, im Wasser zu sinken.The measurement of the carrying amount of water-repellent material on the carbon layer is carried out by determining the proportion by weight of PTFE as water-repellent material with respect to the carbon fiber in the carbon layer. The electrical resistance of the carbon layer is measured such that the carbon layer is cut into a 35.7 × 35.7 mm square, the resulting carbon layer under a pressure of 392 N / cm 2 (40 kgf / cm 2 ) between one Is held pair of identical copper plates and an electric current is applied along the resulting structure. The measurement of the durability of the water repellent effect of the carbon sheet is carried out in such a way that the carbon sheet is floated on water at a temperature of 80 ° C., the time period until the carbon sheet begins to sink in the water.

Die Messung der Beständigkeit des MEA erfolgt ähnlich wie bei der vorstehenden Beurteilung 1 auf derartige Weise, dass der MEA angefertigt wird und reiner Sauerstoff unter einem Druck von 1,11 bar (1,1 atm) und reiner Wasserstoff unter einem Druck von 1,11 bar (1,1 atm) auf die Sauerstoffelektrode beziehungsweise die Brennstoffelektrode aufgebracht werden. Der Nutzungsgrad des Sauerstoffs und des Wasserstoffs beträgt jeweils 80%. Um die Membran 3 zu befeuchten, wird vor einer derartigen Aufbringung des Sauerstoffs und Wasserstoffs der Sauerstoff und der Wasserstoff durch Wasser mit einer Temperatur von 50°C beziehungsweise durch Wasser mit einer Temperatur von 70°C hindurchgeleitet. Die Temperatur des MEA wird auf 80°C gehalten. Unter der sich ergebenden Bedingung werden eine Spannung zwischen den Separatoren 4a und 4b und ein dadurch hindurchgehender Strom erfasst. Die Beurteilung erfolgt auf Grundlage einer Überwachung der Änderungen bei der Zellenspannung mit verstreichender Zeitdauer, die sich ergeben, wenn die Stromdichte auf einen konstanten Wert von 0,75 A/cm2 eingestellt ist.The measurement of the durability of the MEA is carried out similarly to the above assessment 1 in such a way that the MEA is manufactured and pure oxygen under a pressure of 1.11 bar (1.1 atm) and pure hydrogen under a pressure of 1.11 bar (1.1 atm) is applied to the oxygen electrode or the fuel electrode become. The degree of utilization of oxygen and hydrogen is 80% each. Around the membrane 3 To moisten, the oxygen and hydrogen is passed through water at a temperature of 50 ° C. or through water at a temperature of 70 ° C. before such an application of the oxygen and hydrogen. The temperature of the MEA is kept at 80 ° C. Under the resulting condition there will be a voltage between the separators 4a and 4b and detects a current passing therethrough. The assessment is made on the basis of monitoring the changes in the cell voltage with the lapse of time that result when the current density is set to a constant value of 0.75 A / cm 2 .

[Beurteilungsergebnis 2][Judgment result 2]

Die in 3 gezeigte Tabelle 1 lässt erkennen, dass die Tragemenge an PTFE oder wasserabstoßendem Material bei der Kohlenstofflage der Sauerstoffelektrode (Brennstoffelektrode) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel viel größer als bei dem zweiten und dritten Vergleichsbeispiel ist. Es können mehr als 160 Gew.-% PTFE auf der Kohlenstofffaser getragen werden. Trotz einer größeren Tragemenge an PTFE oder wasserabstoßendem Material auf der Kohlenstofflage jeder Elektrode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der elektrische Widerstand der Kohlenstofflage gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel jeweils kleiner als bei der Kohlenstofflage gemäß dem zweiten und dritten Vergleichsbeispiel.In the 3 Table 1 shown shows that the carrying amount of PTFE or water-repellent material in the carbon layer of the oxygen electrode (fuel electrode) according to the second embodiment is much larger than that of the second and third comparative examples. More than 160% by weight of PTFE can be carried on the carbon fiber. Despite a larger amount of PTFE or water-repellent material on the carbon layer of each electrode according to the second exemplary embodiment, the electrical resistance of the carbon layer according to the second exemplary embodiment is in each case lower than in the carbon layer according to the second and third comparative examples.

Wenn die Elektrodensubstratlage in die verdünnte Dispersion mit dispergierten PTFE-Teilchen eingetaucht wird, absorbiert die Pulpe das Wasser, das bei der Flüssigkeit mit dispergierten PTFE-Teilchen das Dispersionsmittel darstellt. Zusammen mit diesem Wasser gelangen die PTFE-Teilchen zu der Pulpe und haften daran an. Beim Brennen der Elektrodensubstratlage bei der Temperatur von 390°C wird die Pulpe gasifiziert, oxidiert und entfernt. Gleichzeitig schmelzen die PTFE-Teilchen, wodurch sie als Bindemittel zum Binden der Kohlenstofffasern wirken. Demnach werden die PTFE-Teilchen insbesondere in den Zwischenräumen getragen, die von den Pulpen besetzt waren, und kann die Kohlenstofffaser-Matrixstruktur aufrechterhalten werden, wodurch das wechselseitige Ineinandergreifen zwischen Kohlenstofffasern unverändert bestehen bleibt und ein Anstieg des elektrischen Widerstands ausbleibt. Die Kohlenstofflage erhält somit eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit.If the electrode substrate layer is in the diluted Dispersion with dispersed PTFE particles is absorbed the pulp the water that dispersed with the liquid PTFE particles are the dispersant. Along with this Water the PTFE particles reach the pulp and adhere to it on. When burning the electrode substrate layer at the temperature of 390 ° C the pulp gasified, oxidized and removed. Melt at the same time the PTFE particles, which act as a binder to bind the carbon fibers. Accordingly, the PTFE particles especially in the gaps worn, which were occupied by the pulps, and can the carbon fiber matrix structure be maintained, whereby the mutual interlocking unchanged between carbon fibers remains and there is no increase in electrical resistance. Preserves the carbon layer thus excellent electrical conductivity.

Gemäß der in 4 gezeigten Tabelle 2, die die Beständigkeit der wasserabstoßenden Wirkung bei jeder Kohlenstofflage erkennen lässt, sinken die Kohlenstofflagen der Sauerstoff- und Brennstoffelektroden gemäß dem zweiten und dritten Vergleichsbeispiel jeweils innerhalb von 5 Tagen in das Wasser, wohingegen die Kohlenstofflagen der Sauerstoff- und Brennstoffelektroden gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel selbst nach dem Verstreichen von 7 Tagen weiter auf dem Wasser treiben. Daraus geht hervor, dass sich der obengenannte Unterschied bei der Beständigkeit jeweils aus dem Unterschied der Tragemenge an PTFE oder wasserabweisendem Material bei der Kohlenstofflage der Sauerstoffelektrode (Brennstoffelektrode) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und gemäß dem zweiten und dritten Vergleichsbeispiel ergibt.According to the in 4 shown in Table 2, which shows the durability of the water-repellent effect with each carbon layer, the carbon layers of the oxygen and fuel electrodes decrease tread in the water according to the second and third comparative examples within 5 days, whereas the carbon layers of the oxygen and fuel electrodes according to the second embodiment continue to float on the water even after 7 days have passed. From this, it can be seen that the above-mentioned difference in durability results from the difference in the carrying amount of PTFE or water-repellent material in the carbon layer of the oxygen electrode (fuel electrode) according to the second embodiment and according to the second and third comparative examples.

Die in 5 gezeigte Tabelle 3 gibt die Messergebnisse der Zellenspannung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, dem zweiten Vergleichsbeispiel und dem dritten Vergleichsbeispiel an. Die Messung der Spannung zwischen den Separatoren 4a und 4b erfolgt, indem die Stromdichte jeweils ausgehend von Zeitpunkten, an denen die Messung begonnen wird, wenn 100 Stunden nach dem Beginn verstri chen sind und wenn 500 Stunden verstrichen sind, für eine Zeitdauer von 3 Stunden zu gewissen Zeitpunkten auf einen konstanten Wert von 0,75 A/cm2 eingestellt wird. Die Zellenspannung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bleibt im wesentlichen unverändert. Die Schwankung der gemessenen Zellenspannung ist sehr gering. Die Zellenspannung gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel und dem dritten Vergleichsbeispiel fällt jedoch jeweils und schwankt während der Messung der Zellenspannung erheblich. Dies kann jeweils durch die schwächere oder schlechtere wasserabstoßende Wirkung gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel und dem dritten Vergleichsbeispiel bedingt sein.In the 5 Table 3 shown shows the measurement results of the cell voltage according to the second embodiment, the second comparison example and the third comparison example. Measuring the voltage between the separators 4a and 4b is carried out by taking the current density to a constant value of 0.75 for a period of 3 hours from certain points in time at which the measurement is started, 100 hours after the start and 500 hours have elapsed A / cm 2 is set. The cell voltage according to the second embodiment remains essentially unchanged. The fluctuation in the measured cell voltage is very small. However, the cell voltage according to the second comparative example and the third comparative example falls in each case and fluctuates considerably during the measurement of the cell voltage. This can be due to the weaker or worse water repellency according to the second comparative example and the third comparative example.

Es ist zu beachten, dass die vorstehende Kohlenstofflage mit hervorragender poröser Wirkung auch für andere Elemente wie etwa einen elektrostatischen Filter für Luftreiniger, korrosionsbeständige Filter und einen Kollektor für Ni-MH-Elektroden verwendet werden kann.It should be noted that the above carbon layer with excellent porous Effect also for other elements such as an electrostatic filter for air purifiers, corrosion-resistant filter and a collector for Ni-MH electrodes can be used.

[Drittes Ausführungsbeispiel]Third Embodiment

Darüber hinaus ist anstelle des gleichzeitigen Brennens und Oxidierens der Elektrodensubstratlage auch Heißpressen einsetzbar. Das Heißpressen erfolgt auf derartige Weise, dass die Elektrodensubstratlage für 60 Minuten bei einer Umgebungstemperatur von 390°C unter einem Druck von 100 bar (100 kg/cm2) in Sandwichanordnung zwischen ein (nicht gezeigtes) Patrizen- und Matrizenpaar gesetzt wird. Die sich ergebende Vorrichtung ist in 6 gezeigt, wobei die Sauerstoffelektrode 1 und die Brennstoffelektrode 2 darin einen Sauerstoffströmungskanal 1b beziehungsweise einen Wasserstoffströmungskanal 2b ausgebildet haben. Eine derartige Vorrichtung ist mittels eines dem [Beurteilungsverfahren 1] ähnlichen Verfahrens mit der inIn addition, hot pressing can also be used instead of the simultaneous firing and oxidizing of the electrode substrate layer. The hot pressing is carried out in such a way that the electrode substrate layer is sandwiched between a pair of male and female (not shown) for 60 minutes at an ambient temperature of 390 ° C. under a pressure of 100 bar (100 kg / cm 2 ). The resulting device is in 6 shown with the oxygen electrode 1 and the fuel electrode 2 therein an oxygen flow channel 1b or a hydrogen flow channel 2 B have trained. Such a device is by means of a procedure similar to [Assessment Procedure 1] with that in

1 gezeigten Vorrichtung verglichen worden. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt, aus der sich ergibt, dass die mit der Bezugsziffer "100" bezeichnete Kennlinie der in 6 gezeigten Vorrichtung mit der mit "200" bezeichneten Kennlinie der in 1 gezeigten Vorrichtung im wesentlichen identisch ist. 1 device shown has been compared. The results are in 7 from which it follows that the characteristic curve designated by the reference number "100" corresponds to that shown in 6 shown device with the "200" characteristic of the in 1 shown device is substantially identical.

Angesichts der Tatsache, dass die Ausbildung eines Kanals in jedem der Separatoren sehr teuer ist, wird dadurch, dass der Kanal jeweils in den Sauerstoff- und Brennstoffelektroden ausgebildet wird, bei der Anfertigung des Membranelektrodenaufbaus eine Kostensenkung erreicht.Given that the Forming a channel in each of the separators is very expensive is that the channel is in the oxygen and fuel electrodes, respectively is trained in the manufacture of the membrane electrode assembly achieved a cost reduction.

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofflage, mit den Schritten: Ausbilden einer Formlage durch Mischen von Kohlenstofffasern und eines Bindemittels; Trocknen der Formlage; Verdünnen einer Dispersion mit dispergierten Teilchen aus wasserabstoßendem Material; Eintauchen der getrockneten Formlage in die verdünnte Dispersion; Herausziehen der Formlage aus der Dispersion; Brennen der Formlage, um daran in der Dispersion enthaltene Teilchen aus wasserabstoßendem Material zu fixieren; und Oxidieren des Bindemittels, um dieses während des Brennens von der Formlage zu entfernen.Process for the production of a carbon layer with which steps:  Forming a mold layer by mixing carbon fibers and a binder; Drying the mold layer; Dilute one Dispersion with dispersed particles of water-repellent material; immersion the dried mold layer in the diluted dispersion; Pull out the shape of the dispersion; Firing the form sheet to stick to it Particles of water-repellent material contained in the dispersion to fix; and Oxidize the binder to this during firing to remove from the mold. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Formlage ein Material zur Absorption des Dispersionsmittels enthält.The method of claim 1, wherein the mold layer is a material for Absorption of the dispersant contains. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als absorbierendes Material das Bindemittel verwendet wird.The method of claim 2, wherein as an absorbent material the binder is used. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei als Bindemittel weitere Fasern verwendet werden.The method of claim 1, 2 or 3, wherein further binders Fibers are used. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Fasern als Pulpe eingesetzt werden.A method according to claim 4, wherein the fibers are used as pulp become. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Brennen und das gleichzeitige Oxidieren durch Heißpressen der Formlage mit einem Patrizen/Matrizenpaar erreicht wird und die sich ergebende Formlage mit einem Kanal ausgebildet wird.The method of claim 1, wherein the burning and the simultaneous Oxidize by hot pressing the form position is achieved with a male / female pair and the resulting shape position is formed with a channel. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1, 2) einer Brennstoffzelle (20), bei dem auf eine Kohlenstofflage, die gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche hergestellt wurde, ein Katalysator (1a, 2a) aufgebracht wird.Method of making an electrode ( 1 . 2 ) a fuel cell ( 20 ), in which a carbon layer, which was produced according to one of the preceding claims, a catalyst ( 1a . 2a ) is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Dispersionsmittel auf Wasser basiert.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the dispersant based on water.
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